JP6139970B2 - 電極埋め込み石英部材及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体プロセスにおいて用いられる静電チャックやヒータ等の電極埋め込み石英部材及びその製造方法に関する。

半導体処理装置では、ウェーハ等を保持・固定するための静電チャックや、熱処理に用いられるヒータ、あるいはまた、これらの両者の機能を兼ね備えた部材として、電極埋め込み部材が用いられている。特に、石英ガラス製の電極埋め込み部材は、石英ガラスが高純度であり、セラミックスよりも平坦性及び絶縁性に優れていることから、半導体プロセスに好適である。

例えば、特許文献１には、ガラス板の内部に金属層の電極が埋設されたガラス製静電チャックが開示されている。特許文献１には、前記電極が、金属層の蒸着により、又は、金属箔や金属メッシュを用いて形成されることが記載されている。

また、特許文献２には、同一素材からなるガラス質絶縁層とガラス質基盤とが、間に電極を具備して、実質的に一体化されたガラス質静電チャックが開示されている。該静電チャックは、予め加工された溝の内面に製膜法により電極が配置されており、その製膜法としては、ドライプロセス、特に、イオンプレーティング、スパッタリング、ＣＶＤ、真空蒸着が好ましいとされている。

特開２００９−３２７１８号公報 特開２００８−２９４１７４号公報

しかしながら、上記特許文献１，２に記載されているような蒸着等のドライプロセスによって形成された電極は、一般に、成膜速度は０．０００１〜０．１μｍ／ｍｉｎ．程度であり、厚さ１μｍ以上の電極を形成するには長時間を要するものであった。その一方で、成膜厚さが薄すぎると、静電チャックやヒータとして十分に機能するための電極が形成されない。また、厚さ１〜１００μｍの金属箔では、微細な電極パターンの作製は難しく、作製できた場合であっても、ガラス基板上に設置する際に形状が崩れて配線が折れたり、隣接する配線と接触して短絡したりする等、電極の形態を保持することが困難である。

また、上記のような金属電極が形成されたガラス板の接合面は、他のガラス板と接合し、熱をかけて圧着されるが、このとき、両ガラス板に挟まれる電極が厚すぎると、ガラス板と金属電極の熱膨張差により、電極が破断したり、ガラス板の電極近傍にクラックが生じたりする場合があった。

ところで、近年、ウェーハの大口径化に対応して、静電チャックやヒータも大型化され、また、より高精度での加工を行うために、電極パターンが微細化されている。
このため、特許文献２に記載されているような電極を配置するための溝加工は、プロセスが煩雑となり、加工時間及び製造コストも増加することとなる。しかも、上述したような電極の破断や溝部分におけるガラス板のクラックもより生じやすくなる。

したがって、大型であっても、ガラス板内に、電極パターンを破断させることなく、容易に形成する方法が求められている。

本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、静電チャックやヒータ等の半導体処理用部材であって、電極が破断することなく、長時間安定的に使用可能な電極埋め込み石英部材及びその製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明に係る電極埋め込み石英部材は、石英ガラス板の内部に、電極が埋設された電極埋め込み石英部材において、２枚の石英ガラス板の間に挟み込むように配置された電極と、前記電極が２枚の石英ガラス板の間に挟み込むように配置された状態で、２枚の石英ガラス板が一体化した石英ガラス板と、を備え、前記電極が、導電性材料からなる粉体であり、かつ未焼結状態で密着した集合体で形成され、前記導電性材料からなる粉体が、２枚の石英ガラス板を一体化する熱圧着温度よりも高い温度の融点を有する、ことを特徴とする。
このような電極を備えた石英部材は、電極の破断や石英ガラスのクラックの発生が抑制され、しかも、長時間安定的に使用することができる。
尚、前記粉体の融点が少なくとも１２５０℃であることが望ましい。

前記電極の厚さは１〜１００μｍであることが好ましい。
上記範囲内の厚さであれば、石英ガラス板を熱圧着により支障なく一体化させることができ、静電チャックやヒータとしての十分な機能を得ることができる。

また、本発明によれば、上記のような電極埋め込み石英部材を製造する方法であって、第１の石英ガラス板の一主面上に、スクリーン印刷により電極パターンを形成した後、前記第１の石英ガラス板の電極形成面と前記第２の石英ガラス板を接合して、前記電極を構成する導電性材料の融点よりも低い温度で熱圧着することを特徴とする電極埋め込み石英部材の製造方法が提供される。
このような製造方法は、本発明に係る電極埋め込み石英部材を得る上で好適な方法である。

本発明に係る電極埋め込み石英部材は、製造プロセスにおいて、電極が破断したり、石英ガラスにクラックが生じたりすることがなく、また、長時間の使用においても、電極の断線や該部材の破損等を生じにくく、安定的に使用することができる。しかも、電極パターンの大型化及び微細化にも対応可能である。
また、本願発明に係る製造方法によれば、上記のような電極埋め込み石英部材を好適に得ることができる。

本発明に係る電極埋め込み石英部材の構成を示す概略断面図である。

以下、本発明を、図面を参照して、より詳細に説明する。
図１に、本発明に係る電極埋め込み石英部材の概略構成を示す。図１に示したように、本発明に係る電極埋め込み石英部材は、石英ガラス板１，２の内部に電極３が埋設されているものである。該電極３は、導電性材料からなる粉体が未焼結状態で密着した集合体からなるものである。なお、図１でいう第２の石英ガラス板２には、給電端子用穴４が形成されている。
ここで、石英ガラス板１，２は、区分されて記載されているが、実際には、上面側の第１の石英ガラス板１と下面側の第２の石英ガラス板２は、熱圧着により一体化されており、１枚の板状をなしている。

上記のように、本発明に係る電極埋め込み石英部材においては、電極３は、導電性材料が、未焼結状態の導電性材料からなる粉体が密着した状態の集合体として形成されている。
電極をこのような構成とすることにより、電極を構成する導電性材料と石英ガラスとの熱膨張差が大きくても、石英ガラス板の熱圧着後の冷却の際に、電極が破断したり、石英ガラス板にクラックが生じたりすることを防ぐことができる。

電極は、静電チャックの場合は、載置されたウェーハ等を吸着するための静電力を発生させるものであり、また、ヒータの場合は、載置されたウェーハ等を加熱するための発熱体として機能する。必要に応じて、これらの両機能を具備するようにしてもよい。

前記電極の厚さは１〜１００μｍであることが好ましい。
前記厚さが１μｍ未満では、静電チャックやヒータとしての機能が十分に得られない。一方、１００μｍを超える場合は、石英ガラス板を熱圧着により一体化させることが困難となる。

上記のような電極埋め込み石英部材は、図１によれば、第１の石英ガラス板１の一主面上に、スクリーン印刷により電極パターンを形成した後、第１の石英ガラス板１の電極形成面と第２の石英ガラス板２を接合して、電極３を構成する金属の融点よりも低い温度で熱圧着することにより製造することができる。
なお、第１の石英ガラス板１と第２の石英ガラス板２は相互に入れ替わっていてもよく、すなわち、電極３は、図１でいう下面側の第２の石英ガラス板２に形成してもよい。
２枚の石英ガラス板の間に電極を挟み込むようにして、上記のような熱圧着温度で一体化させることにより、前記電極を構成する導電性材料は未焼結状態で密着した粉末の集合体の状態で維持され、電極が破断したり、石英ガラスにクラックが生じたりすることを防ぐことができる。

ここで、前記電極に用いられる導電性材料は、導電性が高く、抵抗率を制御しやすい金属が好適である。特に、熱圧着温度が通常１２００〜１３００℃程度であることを考慮して、融点が１２５０℃以上の金属粉体であることが好ましい。石英ガラス板を熱圧着する際に、粉体が、融解せず、未焼結の状態が維持されるようにするため、このような高融点金属を用いることが好ましい。

前記金属としては、具体的には、マンガン、ベリリウム、スカンジウム、ケイ素、ニッケル、イットリウム、コバルト、鉄、パラジウム、バナジウム、チタン、白金、トリウム、クロム、ロジウム、ジルコニウム、ルテニウム、イリジウム、ニオビウム、モリブデン、オスミウム、タンタル、タングステン、ハフニウム、又は、これらの合金が挙げられる。これらのうち、石英ガラス部材の用途に応じて、比抵抗や熱伝導率等を考慮して、適宜選択して用いられる。

金属以外の導電性材料としては、窒化物や炭化物のうち、導電性を示す炭化珪素（ＳｉＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、窒化チタン（ＴｉＮ）等のセラミックス材料も適用することができる。この場合も、石英ガラス板を熱圧着する際に、該セラミックス粉体同士が未焼結状態を維持するように、製造条件は適宜調整される。
なお、前記電極３は、単一層構造であっても、あるいはまた、上記金属やセラミックス等の導電性材料のうちの２種以上による多層構造であってもよい。

前記電極パターンは、任意であり、用途に応じて適宜定められ、例えば、静電チャックの吸着用電極の場合、双極タイプであっても単極タイプであってもよい。その形成方法としては、電極材料となる金属粉体を各種溶媒に分散させた分散液やペーストとして、石英ガラス板の電極形成面にスクリーン印刷する方法が用いられる。
スクリーン印刷によれば、電極パターンが大型又は微細な場合であっても、金属粉体が均等な密度である電極パターンを容易かつ効率的に形成することができる。

上記のようにして、電極パターンをスクリーン印刷した後、該電極形成面を他方の石英ガラス板と接合して、２枚の石英ガラス板を熱圧着する。
このように、石英ガラス板の接合は、接着剤等の他の材料を用いることなく、熱圧着によって容易に一体化することができる。

熱圧着時の加熱により、スクリーン印刷のために用いられた溶媒成分は、揮発又は酸化して消失するが、このとき、電極を構成する導電性材料からなる粉体同士が焼結しないようにする必要がある。このため、熱圧着時には、石英ガラス板が圧着により一体化されるように加熱する必要があり、通常、３〜６ＭＰａの加圧下で１２００〜１３００℃程度とされるが、熱圧着温度は、電極を構成する導電性材料の融点よりも低い温度とする。

本発明に係る電極埋め込み石英部材は、熱圧着により一体化された石英ガラス板の内部に導電性材料からなる粉体が埋設されているため、第１の石英ガラス板の厚さは、セラミックス板の場合より薄くても、電極に対する十分な絶縁性及び平坦性を確保することができ、所望の強度及び静電チャックやヒータとしての機能を考慮して、適宜定めることができる。第２の石英ガラス板の厚さについても同様である。

なお、第２の石英ガラス板２には、図１に示したような電極３に通じる給電端子用穴４を、第２の石英ガラス板２と第１の石英ガラス板１とを接合させる前に、予め形成しておくことが好ましい。
これにより、接合後、前記給電端子用穴４内で、導電ペースト等を用いて、電極３に給電端子及び導線を固定することができる。

本発明において用いられる石英ガラス板は、気泡や不純物の混入が少なく、比較的均質であることから、ＶＡＤ（Vaper-phase Axial Deposition）法や直接法により製造された石英ガラスが好ましい。
このような石英ガラスを用いれば、より高電圧を印加しても絶縁破壊しにくく、長期間安定して使用することができる部材を構成することができる。
なお、熱膨張係数の低い石英ガラスが求められる場合には、チタニアがドープされたもの等を用いることができる。

以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明は下記実施例により制限されるものではない。
［実施例１］
直径３００ｍｍ、厚さ５ｍｍの第１の石英ガラス板に、タングステンペースト（７８重量％）を用いて電極パターンをスクリーン印刷した。該電極は、厚さ１０μｍ、ライン２ｍｍ、間隔０．５ｍｍのくし型状の双極型電極とした。
この面に、直径３００ｍｍ、厚さ２０ｍｍの第２の石英ガラス板を接合し、１２７５℃、プレス圧６ＭＰａで６０分間保持し、熱圧着した。
両石英ガラス板は完全に一体化した状態で圧着され、電極を構成するタングステンは、未焼結状態で密着した粉体の集合体となっていることが顕微鏡観察により確認された。
また、電圧１．５ｋＶを印加しても、ガラスにクラックも生じず、電極に断線も見られなかった。

［比較例１］
直径３００ｍｍ、厚さ５ｍｍの第１の石英ガラス板に、タングステンを厚さ１０μｍで蒸着し、実施例１と同様の電極パターンを形成した。
この面に、直径３００ｍｍ、厚さ２０ｍｍの第２の石英ガラス板を接合し、１２１５℃、プレス圧６ＭＰａで６０分間保持し、熱圧着した。
電圧１．５ｋＶを印加したところ、電極パターンにおいて断線が生じた。

１ 第１の石英ガラス板
２ 第２の石英ガラス板
３ 電極
４ 給電端子用穴

Claims (4)

1. 石英ガラス板の内部に、電極が埋設された電極埋め込み石英部材において、
   ２枚の石英ガラス板の間に挟み込むように配置された電極と、
   前記電極が２枚の石英ガラス板の間に挟み込むように配置された状態で、２枚の石英ガラス板が一体化した石英ガラス板と、
   を備え、
   前記電極が、導電性材料からなる粉体であり、かつ未焼結状態で密着した集合体で形成され、
   前記導電性材料からなる粉体が、２枚の石英ガラス板を一体化する熱圧着温度よりも高い温度の融点を有する、
   ことを特徴とする電極埋め込み石英部材。
2. 前記粉体の融点が少なくとも１２５０℃であることを特徴とする請求項１記載の電極埋め込み石英部材。
3. 前記電極の厚さが１〜１００μｍであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電極埋め込み石英部材。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電極埋め込み石英部材を製造する方法であって、第１の石英ガラス板の一主面上に、スクリーン印刷により電極パターンを形成した後、前記第１の石英ガラス板の電極形成面と前記第２の石英ガラス板を接合して、前記電極を構成する導電性材料の融点よりも低い温度で熱圧着することを特徴とする電極埋め込み石英部材の製造方法。

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